如今的飛機(jī)都裝有傳感器，提供情景信息和故障保護(hù)。制造商必須應(yīng)付人們對(duì)于物物相連的需求，同時(shí)還要滿足一些基本要求，例如：飛機(jī)重要部件的重量和耐久性。確保飛行過(guò)程中的可靠連接，為信號(hào)完整性和EMI 保護(hù)方面帶來(lái)了一系列的挑戰(zhàn)。

互聯(lián)飛行的發(fā)展方向是什么?

如果您乘坐飛機(jī)時(shí)不將手機(jī)切換到“飛行模式”會(huì)發(fā)生什么?在 2013 年美國(guó)聯(lián)邦航空管理局(FAA)委托開展一項(xiàng)可能改變飛行中小型設(shè)備使用規(guī)則的研究期間，波音工程師 Kenny Kirchoff 告訴 CNN 說(shuō)，這樣有可能會(huì)分散飛行員的注意力。筆記本電腦、手機(jī)等發(fā)射信號(hào)的電子產(chǎn)品可能會(huì)導(dǎo)致 VFR 產(chǎn)生額外的噪音，使飛行員難以弄清當(dāng)前的狀況。它不一定會(huì)讓飛機(jī)失靈，但它會(huì)讓飛行員工作起來(lái)更加困難。

對(duì)于許多旅客來(lái)說(shuō)，關(guān)閉電子設(shè)備的警告是他們?cè)陲w機(jī)上處理電子設(shè)備的最常見情況。而對(duì)于工程師來(lái)說(shuō)，此事則關(guān)系比較重大。美國(guó)聯(lián)邦航空管理局的《2016 年國(guó)家航空研究計(jì)劃》將“為互聯(lián)機(jī)場(chǎng)和物聯(lián)網(wǎng)做好準(zhǔn)備”視為 2017 年的安全里程碑之一。這也是該里程碑首次被納入 FAA 的路線圖。

跑道

2016 年，美國(guó)國(guó)家航空航天局(NASA)開始在 SOAREX-9 上測(cè)試無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSN)，此次亞軌道任務(wù)旨在測(cè)試從國(guó)際空間站到地球的有效載荷的大氣再入技術(shù)。他們

的 WSN 基于 TI CC2538 片上系統(tǒng)構(gòu)建， 并采用 3D 打印座封裝。它利用 RF 作為未許可的美國(guó)聯(lián)邦通信委員會(huì)(FCC)規(guī)程第 15 部分的設(shè)備運(yùn)行，并在艾姆斯研究中心的電子評(píng)估實(shí)驗(yàn)室接受了測(cè)試。

商業(yè)領(lǐng)域的互聯(lián)飛機(jī)可以使用源于 NASA 的技術(shù)，但也存在一些自身的問(wèn)題。

目前有些功能已屬現(xiàn)成，而有功能尚處于快速開發(fā)或測(cè)試階段。航空電子系統(tǒng)互連解決方案包括輸入/輸出連接器、微型與超微型連接器、繼電器與電路保護(hù)(包括電源控制組件)，以及電線和電纜。有源和無(wú)源光纖組件可用于提高信號(hào)的完整性，就像高級(jí) EMI 保護(hù)一樣。飛機(jī)數(shù)據(jù)可以通過(guò)有線或無(wú)線網(wǎng)絡(luò)傳輸。

物聯(lián)網(wǎng)成功部署于航空航天領(lǐng)域*

• 能夠?qū)崟r(shí)支持關(guān)鍵系統(tǒng)

• 支持必要的冗余水平

• 至少兩套冗余系統(tǒng)用于駕駛飛機(jī)

• 一套冗余用于完成機(jī)器人任務(wù)

• 傳感器可以監(jiān)控車輛子系統(tǒng)

• 順暢互動(dòng)：

• 基地的任務(wù)控制人員

• 飛機(jī)上的機(jī)組人員

• 能夠收集和報(bào)告任務(wù)數(shù)據(jù)

• “面向未來(lái)”，為以下功能做好準(zhǔn)備：

• 自主

• 感知

• 自我修復(fù)

* “2016 年航空航天物聯(lián)網(wǎng)介紹”，作者 Rick Alena，NASA 艾姆斯研究中心發(fā)布。

起飛

將整個(gè)飛機(jī)上的這些網(wǎng)絡(luò)連接起來(lái)還需要輕質(zhì)、耐用、靈活的材料以符合有關(guān)標(biāo)準(zhǔn)。TE Connectivity(TE)提供的尺寸、重量和功率(SWaP)節(jié)省工具多種多樣，包括：模塊化連接器、光纖連接器、電線電纜、CANbus 與以太網(wǎng)互連網(wǎng)絡(luò)工具，以及航空電子設(shè)備、機(jī)艙系統(tǒng)和機(jī)載娛樂(lè)系統(tǒng)的信號(hào)與電力傳輸產(chǎn)品。可以對(duì)飛機(jī)的有線和無(wú)線系統(tǒng)進(jìn)行某種類型的改造，從而實(shí)現(xiàn)其互聯(lián)。

客艙內(nèi)部的布線可以進(jìn)行修改，以減小尺寸、重量和功耗。TE 將高速銅纜和光纖鏈路應(yīng)用于機(jī)載娛樂(lè)分發(fā)與控制系統(tǒng)，并用之于自動(dòng)化廚房系統(tǒng)的通信。光纖速度高而重量輕，同時(shí)互連接頭的尺寸減小，非常適用于較小的空間。

航空電子設(shè)備也可以采取相同的處理方式，其中 ARINC 836 標(biāo)準(zhǔn)化 MiniMRP 封裝可以將尺寸減少 40%。這反過(guò)來(lái)又有助于提高設(shè)計(jì)的靈活性，因?yàn)橹悄芸刂票容^靠近端點(diǎn)。

新型復(fù)合材料有助于減小尺寸和重量。一些供應(yīng)商在分子層面對(duì)熱塑性塑料進(jìn)行修改，使其進(jìn)一步輕量化。下一步發(fā)展方向可能是碳納米管復(fù)合材料，它用較輕的材質(zhì)取代傳統(tǒng)的銅線。

TE 工程副總裁兼首席技術(shù)官 Thierry Marin-Martinod 表示：“在材料中添加某些分子可以改變介電常數(shù)，或者添加金屬粉末可以提高導(dǎo)電性。這樣有助于改善產(chǎn)品的熱交換或電磁性能。我們還可以添加空心珠，以減輕材料的重量......總之，我們幾乎可以對(duì)基本材料做任何事情，只要客戶需要。”

在制造商同時(shí)也生產(chǎn)原材料的情況下，由于他能夠在模制過(guò)程中集成各項(xiàng)功能，因此可以進(jìn)一步減輕產(chǎn)品的重量。例如，電子元件的外殼可以包含附加的固定裝置，或者直接模制于飛機(jī)的連接器上。這種做法還可以提高質(zhì)量并縮短安裝時(shí)間。

在更為廣泛的背景下觀察商用客機(jī)，還可以看到機(jī)載互聯(lián)系統(tǒng)的實(shí)施。機(jī)場(chǎng)致力于改善通信和安全，而美國(guó)的《新一代航空運(yùn)輸系統(tǒng)》(NextGen)和歐洲的《單一歐洲天空空中交通管理研究》(SESAR)等現(xiàn)代化項(xiàng)目則試圖提高航空效率。這一點(diǎn)可以通過(guò)廣域信息管理(SWIM)來(lái)實(shí)現(xiàn)，它是一項(xiàng)國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化的空域控制服務(wù)。其標(biāo)準(zhǔn)包括一個(gè)開放式的架構(gòu)框架，飛機(jī)可通過(guò)該框架報(bào)告天氣情況并安排起飛和著陸。理想情況下，這樣可以使起飛和著陸的時(shí)間更加有條理，從而減少飛機(jī)在跑道上白白燃燒燃料的時(shí)間(并減少乘客在機(jī)艙內(nèi)坐等起飛的時(shí)間)。

廣域信息管理 SWIM

SWIM 可以收集和組織 FAA 數(shù)據(jù)，并根據(jù)飛行員或空中交通管制人員的需求通過(guò)單一界面顯示各種類型的數(shù)據(jù)。1997 年 Eurocontrol向 FAA 提出 SWIM，2005 年國(guó)際民用航空組織(ICAO)全球空中交通管理(ATM)運(yùn)行概念項(xiàng)目正式采用 SWIM。它的目的在于“用戶每次想要訪問(wèn)他們所需的數(shù)據(jù)時(shí)不必進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接”(FAA)——這正是物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建的基石。

旅程

隨著 FAA 新項(xiàng)目和其他數(shù)據(jù)來(lái)源的出現(xiàn)，SWIM 不斷擴(kuò)展。FAA 的 SWIM 頁(yè)面(2017 年 6 月訪問(wèn))列示的一個(gè)五年計(jì)劃指出，該項(xiàng)目將繼續(xù)擴(kuò)展，以實(shí)現(xiàn)國(guó)際空中交通管理數(shù)據(jù)交換，并采用現(xiàn)代數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)。

互聯(lián)系統(tǒng)也可用于航空業(yè)的其他領(lǐng)域。航空公司常常通過(guò)制造商租賃發(fā)動(dòng)機(jī)，而不是直接擁有發(fā)動(dòng)機(jī)。互聯(lián)的發(fā)動(dòng)機(jī)可以受到更為密切的監(jiān)控。Rolls-Royce、GE、Pratt&Whitney 等公司都在使用這種方法，將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)于自己的中心。這也意味著制造發(fā)動(dòng)機(jī)的公司壟斷了發(fā)動(dòng)機(jī)的維修，因?yàn)樗麄儞碛泄收显\斷所需的大部分?jǐn)?shù)據(jù)。

在許多情況下，預(yù)測(cè)性維護(hù)已經(jīng)應(yīng)用于噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)。根據(jù)工業(yè) 4.0(也稱為第四次工業(yè)革命)的理念，預(yù)測(cè)性維護(hù)軟件會(huì)提醒母公司的機(jī)隊(duì)操作員、工程師和科學(xué)家更換零件。理想情況下，這樣可以防止問(wèn)題的發(fā)生。

...... 目的在于

“用戶每次想要訪問(wèn)他們所需的數(shù)據(jù)時(shí)不必進(jìn)行點(diǎn)對(duì)點(diǎn)連接”(FAA)——這正是物聯(lián)網(wǎng)創(chuàng)建的基石。

4 | 目前的互聯(lián)飛機(jī)系統(tǒng)

監(jiān)控硬件的生命周期不僅需要軟件，而且還需要內(nèi)置于引擎的傳感器，以及樞紐處的數(shù)據(jù)中心管理功能，以便對(duì)信息進(jìn)行消化和監(jiān)控。

預(yù)測(cè)性維護(hù)還包括針對(duì)特定情況的比較數(shù)據(jù)、機(jī)器學(xué)習(xí)和實(shí)時(shí)分析。除了在問(wèn)題發(fā)生之前發(fā)現(xiàn)問(wèn)題之外，機(jī)器學(xué)習(xí)還有助于了解在某些情況下是否應(yīng)該推遲維護(hù)以減少不必要的工作。機(jī)器學(xué)習(xí)解決方案可以包括機(jī)器本身內(nèi)的硬件組件，但數(shù)據(jù)通常托管于云服務(wù)提供商(如 IBM)擁有的數(shù)據(jù)中心。

飛得更遠(yuǎn)

物聯(lián)網(wǎng)(IoT)和互聯(lián)設(shè)備也可用于飛機(jī)工業(yè)，以確保在惡劣的環(huán)境中良好地管理設(shè)備。傳感器在飛行過(guò)程中暴露于極端的溫度和振動(dòng)，但供應(yīng)商經(jīng)驗(yàn)豐富，足以將自己的設(shè)備隔離于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)本身的湍流和環(huán)境。使用壽命也須加以考慮，因?yàn)槟承﹤鞲衅骺赡苄枰ぷ? 30 年以上。

智能管理在推進(jìn)和配電領(lǐng)域也有著重要的作用。必須在嚴(yán)格的磁、熱、機(jī)械和電氣參數(shù)范圍內(nèi)開發(fā)高功率的高壓互連器。這些部件的高

可靠性對(duì)于飛行安全極端重要。

安全著陸

可調(diào)水平穩(wěn)定器執(zhí)行機(jī)構(gòu)(THSA)一個(gè)是特別值得注意的例子，它是飛機(jī)上最復(fù)雜的執(zhí)行機(jī)構(gòu)之一。出于安全原因，THSA 配備了一個(gè)輔助負(fù)載通道，可在主要負(fù)載路徑發(fā)生故障時(shí)啟動(dòng)，以確保飛機(jī)仍然可以保持水平方向。TE 的解決方案是替換掉將 THSA 緊固于機(jī)體結(jié)構(gòu)的螺栓，而代之以傳感器，這樣不會(huì)增加額外的重量。傳感器有助于確保飛行控制計(jì)算機(jī)和飛行員即時(shí)了解系統(tǒng)功能受限的情況。一旦地面上的維護(hù)人員到達(dá)飛機(jī)，就可以立即啟動(dòng)預(yù)測(cè)性維護(hù)。

那么，F(xiàn)AA 關(guān)于乘客互聯(lián)設(shè)備的政策有什么變化呢?2017 年，飛機(jī)上手機(jī)著火的新聞要多于信號(hào)干擾方面的新聞。自 2013 年宣布小型設(shè)備可以在飛行過(guò)程中使用以來(lái)，越來(lái)越多的航空公司致力于充分利用飛機(jī)上的 Wi-Fi。通過(guò)互聯(lián)設(shè)備的安全隔離，機(jī)組人員完全可以專注于自己的飛行任務(wù)。隨著飛機(jī)工業(yè)不斷向前發(fā)展，制造商可以期待在天空中看到更多的“智能”設(shè)備。